LoRa技術(shù)在住院病人體溫持續(xù)監(jiān)測中的應(yīng)用

文/陳威宇 陳捷

1 引言

在住院病房實施病人的護理工作時，根據(jù)《綜合醫(yī)院分級護理指導(dǎo)原則》中的要求，護士依據(jù)患者不同的護理級別，需要密切觀察患者的生命體征變化。當前國內(nèi)外大部分醫(yī)院需要測量時護士必須到病人的身邊去測量，記錄具體每個病人的體溫數(shù)據(jù)。這種方式存在以下問題：

（1）體征信息采集效率低下，為了持續(xù)監(jiān)測體溫護士就會需要定期頻繁往返于病房與護士站之間，大大增加了護士的工作量。

（2）測量間隔體征信息缺失，病人在兩次測量間隔的體溫變化仍然沒有被監(jiān)測到。

（3）采集過程易受其他因素影響，如遇病人精神異常、昏迷、呼吸困難等情況此時就無法正常采集。

隨著生命體征持續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用，護士可以實時持續(xù)監(jiān)測病人生命體征信息，及時預(yù)警生命體征異常，將大大減少護理人員的工作量，使他們可以在完成更多其他任務(wù)同時，又不會錯過病人體征異常變化。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用藍牙近距離無線傳輸技術(shù)和LoRa技術(shù)的超遠距離無線傳輸技術(shù)作為體征數(shù)據(jù)無線回傳方案，利用藍牙無線通信完成病房內(nèi)病人體溫的采集上報，利用LoRa無線通信完成整個病區(qū)的體溫數(shù)據(jù)的采集上報。體溫傳感器通過探針測量病人的體溫數(shù)據(jù)，采集節(jié)點通過藍牙無線信號采集病房里體溫傳感器的體溫數(shù)據(jù)，然后通過LoRa無線信號傳輸?shù)讲杉W(wǎng)關(guān)，采集網(wǎng)關(guān)負責(zé)包上報數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)最終發(fā)送體溫持續(xù)監(jiān)測中央工作站。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署

系統(tǒng)由體溫傳感器、LoRa采集節(jié)點、LoRa網(wǎng)關(guān)、LoRa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、體溫持續(xù)監(jiān)測中央工作站組成。在每個住院病房插座接入采集節(jié)點，負責(zé)采集病房內(nèi)體溫傳感器的數(shù)據(jù)，特殊較大的病房可以部署多個采集節(jié)點以滿足藍牙信號覆蓋的要求。在各個樓層部署LoRa網(wǎng)關(guān)，通過有線網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)相連，負責(zé)覆蓋樓層病房內(nèi)LoRa信號，實現(xiàn)與采集節(jié)點通信，一個網(wǎng)關(guān)可以完成普通醫(yī)院住院病區(qū)3層LoRa信號覆蓋，如果有信號盲區(qū)，可以通過增加網(wǎng)關(guān)滿足信號覆蓋。LoRa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)通過有線網(wǎng)絡(luò)與體溫持續(xù)監(jiān)測中央工作站相連，負責(zé)將采集匯總的體溫數(shù)據(jù)上報到體溫持續(xù)監(jiān)測中央工作站。體溫持續(xù)監(jiān)測中央工作站采用BS架構(gòu)，醫(yī)護人員可以通過瀏覽器訪問體溫持續(xù)監(jiān)測應(yīng)用平臺，實現(xiàn)多病房病人體溫的持續(xù)監(jiān)測。

3.1 體溫傳感器

體溫傳感器，使用高精度NTC熱敏電阻探頭與體表接觸，每5秒采集一次溫度，全程不間斷持續(xù)采集體溫。主機支持存儲體溫歷史數(shù)據(jù)，按每分鐘一個體溫數(shù)據(jù)的頻率進行存儲，最大可以保存100個小時的歷史數(shù)據(jù)。主機同時配備藍牙模塊，通過藍牙信號實現(xiàn)與外界交互操作，完成設(shè)備信息獲取、設(shè)備配置管理、設(shè)備電量上報、實時數(shù)據(jù)上報、歷史數(shù)據(jù)獲取等功能。主機采用一次性使用體溫探頭，降低院內(nèi)交叉感染風(fēng)險。

3.2 LoRa采集節(jié)點

LoRa采集節(jié)點主要由主控單元、藍牙基帶模塊、LoRa通信模塊、電源模塊組成。采集節(jié)點LoRa模塊采用Class C工作模式，即LoRa模塊在發(fā)送模式接收后始終打開接收窗口，以便可以及時響應(yīng)服務(wù)端下發(fā)的消息。采集節(jié)點內(nèi)部集成AC-DC模塊，無需額外電源適配器，直接接入220V插座即可，安裝部署靈活。

采集節(jié)點負責(zé)與藍牙信號覆蓋范圍內(nèi)的體溫傳感器通信，獲取設(shè)備信息、電量信息、實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等，然后根據(jù)定制通信協(xié)議數(shù)據(jù)組包通過LoRa無線傳輸發(fā)送給LoRa網(wǎng)關(guān)。為了保證通信效率減少冗余信息，單個采集節(jié)點支持配置體溫傳感器的最大接入數(shù)量，一般一個病房的病人4～8人，所以默認設(shè)置為10以滿足住院病房的現(xiàn)場需求。

3.3 LoRa網(wǎng)關(guān)

LoRa網(wǎng)關(guān)由電源適配器，主控板，LoRa網(wǎng)關(guān)模塊、接口板及天線組成，主控板通過接口板使用SPI串口協(xié)議與LoRa網(wǎng)關(guān)模組相連。網(wǎng)關(guān)設(shè)備工作在470MHz頻段，有八個獨立的接收通道用于接收采集節(jié)點上行消息，LoRa協(xié)議傳輸采用擴頻通信，根據(jù)接收信號的RSSI（接收信號強度）和SNR（信噪比）值，判斷傳輸質(zhì)量高低，通過控制擴頻因子在SF7～SF12間自動切換，實現(xiàn)自動傳輸速率控制。

網(wǎng)關(guān)是采集節(jié)點數(shù)據(jù)的匯聚中心，負責(zé)所有采集節(jié)點LoRa物理層消息的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，接收節(jié)點設(shè)備上行幀數(shù)據(jù)并解析上報網(wǎng)路服務(wù)，接收網(wǎng)絡(luò)服務(wù)按的下行幀數(shù)據(jù)并編碼發(fā)送給相應(yīng)采集節(jié)點。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)是透明傳輸?shù)模捎肎WMP協(xié)議（LoRa網(wǎng)關(guān)消息協(xié)議）與LoRa網(wǎng)路服務(wù)交互通信。單個網(wǎng)關(guān)設(shè)備的采集節(jié)點接入數(shù)量，建議現(xiàn)在在100臺以內(nèi)，以保證通信的空口帶寬，減少丟包和重發(fā)的次數(shù)。一般單個網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以滿足住院病房三個樓層的覆蓋，涉及病房和治療室的數(shù)量在100個以內(nèi)，所有完全滿足現(xiàn)場要求。

3.4 LoRa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)

LoRa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，是LoRa核心網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序，部署在X86架構(gòu)的服務(wù)器上，通過以太網(wǎng)和網(wǎng)關(guān)及中央工作站連接。存儲數(shù)據(jù)庫采用MongoDB，負責(zé)信息存儲；內(nèi)存數(shù)據(jù)庫使用Redis，負責(zé)實現(xiàn)內(nèi)部消息隊列。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序完成LoRa核心網(wǎng)絡(luò)的管理功能，具體包括LoRa采集節(jié)點設(shè)備的接入和管理、LoRa網(wǎng)關(guān)的狀態(tài)管理、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)加密和解密、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序主要由NS（網(wǎng)絡(luò)服務(wù)）、NC（網(wǎng)絡(luò)控制）、AS（應(yīng)用服務(wù)）、CS（客戶應(yīng)用服務(wù)）等四個子服務(wù)組成。

3.5 體溫持續(xù)監(jiān)測中央工作站

體溫持續(xù)監(jiān)測中央工作站，是一套采用BS架構(gòu)的應(yīng)用軟件，提供最終醫(yī)護人員使用的業(yè)務(wù)功能，實現(xiàn)體溫持續(xù)監(jiān)測、體溫預(yù)警閾值設(shè)置、體溫歷史曲線顯示、體溫傳感器管理、病人信息管理、護理體溫記錄單等功能模塊。醫(yī)護人員通過工作電腦的瀏覽器，就可以直接訪問體溫持續(xù)監(jiān)測平臺軟件，了解所有病人的體溫信息。

4 結(jié)語

系統(tǒng)具有設(shè)備待機時間長、無線傳輸距離遠、信號穿透性好、網(wǎng)絡(luò)部署簡單等優(yōu)勢，這一方案該改變了以往醫(yī)院中生命體征信息傳輸依賴Wi-Fi的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。本應(yīng)用晝夜連續(xù)同時進行多床位監(jiān)護，并迅速準確掌握病人生命體征的變化，一旦發(fā)生異常立即報警，隨時通知醫(yī)護人員，極大地降低了危重病人的死亡率。